VAN LOO, Roel (Rogge 4, RA Kerkrade, NL-6461, NL)
BEHR, Thomas (Alte Vaalser Strasse 4c, Aachen, 52074, DE)
VAN LOO, Roel (Rogge 4, RA Kerkrade, NL-6461, NL)
| Ansprüche 1. Tiegel zum Schmelzen und Kristallisieren eines Metalls, eines Halbleiterwerkstoffs oder einer Metalllegierung, bei dem eine Tiegelwandung eines Tiegelgrundkörpers zumindest teilweise aus einem Tiegelmaterial besteht, welches Siliziumnitrid und Siliziumdioxid im Gewichtsverhältnis zwischen etwa 1:10 und etwa 1:1 (Si3N4 : SiO2) enthält. 2. Tiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest teilweise aus dem Tiegelmaterial bestehende Tiegelwandung wenigstens im Tiegelboden des Tiegelgrundkörpers gebildet ist. 3. Tiegel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tiegelseitenwand des Tiegelgrundkörpers zumindest teilweise aus SiO2 mit einer Reinheit von mindestens 99% besteht. 4. Tiegel nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest teilweise aus dem Tiegelmaterial bestehende Tiegelwandung des Tiegelgrundkörpers wenigstens abschnittsweise mit einer innenseitigen und / oder einer außenseitigen Beschichtung versehen ist. 5. Tiegel nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiegelwandung des Tiegelgrundkörpers zumindest teilweise vollständig aus dem Tiegelmaterial gebildet ist. 6. Tiegel nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Tiegelwandung des Tiegelgrundkörpers zumindest abschnittsweise eine innenseitige Auskleidung angeordnet ist.. 7. Tiegel nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiegelwandung des Tiegelgrundkörpers mit mehreren gefügten Wandungsbauteilen gebildet ist. 8. Tiegel nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Tiegelwandung des Tiegelgrundkörpers zumindest abschnittsweise mit einem Eigenschaftsgradienten gebildet ist. 9. Tiegel nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das Siliziumnitrid und / oder das Siliziumdioxid im Tiegelmaterial eine Korngröße zwischen etwa 1 μm und etwa 500 μm aufweisen. 10. Bauteil für einen Tiegelgrundkörper eines Tiegels zum Schmelzen und Kristallisieren eines Metalls, eines Halbleiterwerkstoffs oder einer Metalllegierung, bei dem ein Bauteilabschnitt zumindest teilweise aus einem Tiegelmaterial besteht, welches Siliziumnitrid und Siliziumdioxid im Gewichtsverhältnis zwischen etwa 1 :10 und etwa 1 :1 (Si3N4 : SiO2) enthält. 11. Verwendung eines Tiegels nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Schmelzen und Kristallisieren von Silizium in einem multikristallinen Block. 12. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils für einen Tiegelgrundkörper eines Tiegels zum Schmelzen und Kristallisieren eines Metalls, eines Halbleiterwerkstoffs oder einer Metalllegierung, bei dem ein Bauteilabschnitt zumindest teilweise aus einem Tiegelmaterial gebildet wird, welches Siliziumnitrid und Siliziumdioxid im Gewichtsverhältnis zwischen etwa 1 :10 und etwa 1 :1 (Si3N4 : SiO2) enthält. 13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind: - Herstellen einer Suspension in Wasser enthaltend Siliziumnitrid und Siliziumdioxid im Gewichtsverhältnis zwischen etwa 1 :10 und etwa 1 :1, - Herstellen eines oder mehrerer Grünlinge mittels Schlickerguss in einer Gießform mit nachfolgender Trocknung und - Sintern des einen oder der mehreren Grünlinge mittels Erhitzen auf Temperaturen zwischen etwa 1000°C und 13000C. 14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei beim Herstellen der Suspension eine oder mehrere Hilfsstoffe aus folgender Liste eingesetzt werden: Dispergier- und Verflüssigungshilfs- mittel wie synthetische Polyelektrolyte und Carbonsäureester, Antischaummittel wie Kohlenwasserstoffe, Fettsäurederivate und Alkypolyalkylenglykolether, temporäre Bindemittel wie Polymerdispersion, Polyvinylalkohol, Polyethylenglycol, Acrylatdispersi- on, Polysaccharide und Wachse, Suspensionsstabilisatoren wie Polyammoniumderivate, Entwässerungshilfsmittel wie Polyammoniumderivate und Polyamine, temporäre Presshilfsmittel wie Acrylatdispersion, Wachsemulsion und Polyethylen. 15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind: - Bereistellen des Tiegelmaterials mit Siliziumnitrid und Siliziumdioxid im Gewichtsverhältnis zwischen etwa 1 :10 und etwa 1 :1 als trockener Ausgangsstoff, - Herstellen eines oder mehrerer Grünlinge aus dem trockenen Ausgangsstoff mittels Verpressen in einer Pressform und - Sintern des einen oder der mehreren Grünlinge mittels Erhitzen auf Temperaturen zwischen etwa 1000°C und 1300°C. 16. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind: - Herstellen einer Suspension in Wasser enthaltend Siliziumnitrid und Siliziumdioxid im Gewichtsverhältnis zwischen etwa 1:10 und etwa 1:1, - Herstellen von sprühgetrockneten Partikeln mittels Sprühtrocknen der Suspension, - Herstellen eines oder mehrerer Grünlinge mittels Verpressen der sprühgetrockneten Partikel in einer Pressform und - Sintern des einen oder der mehreren Grünlinge mittels Erhitzen auf Temperaturen zwischen etwa 1000°C und 1300°C. 17. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei Siliziumnitrid und Siliziumdioxid in Pulverform verwendet werden. 18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei Siliziumnitrid und / oder Siliziumdioxid mit einer Korngröße zwischen etwa 1 μm und etwa 500 μm verwendet werden. 19. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei der Tiegelgrundkörper einstückig hergestellt wird. |
Metalllegierung, Bauteil für einen Tiegelgrundkörper eines Tiegels und
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils
Die Erfindung betrifft Technologien auf dem Gebiet von Tiegeln zum Schmelzen und Kristallisieren eines Metalls, eines Halbleiters oder einer Metalllegierung sowie deren Herstellung und Verwendung.
Hintergrund der Erfindung
Derartige Tiegel werden zum Beispiel genutzt, um Silizium zu schmelzen und anschließend zu kristallisieren. Siliziumschmelze erweist sich gegenüber nahezu allen Tiegelmaterialien als äußerst korrosiv. Nur Tiegel aus Graphit, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Siliziumdioxid und Bornitrid widerstehen dem korrosiven Angriff für längere Zeit. Weiterhin muss kristallines Silizium für viele Anwendungen (insbesondere Elektronische Bauelemente und Photovoltaik) in sehr hoher Reinheit vorliegen, so dass das Eindringen auch von Spuren von Verunreinigungen vom Tiegel her in die Schmelze vermieden werden muss. Daher hat sich für alle Kristallisationsprozesse von Silizium in der Praxis die Forderung herausgebildet, dass mit flüssigem Silizium nur Materialien, die ausschließlich Si, O, N, C und H als Elemente enthalten, in Kontakt gebracht werden dürfen. Für die Züchtung von Einkristallen nach dem Czochralski Prinzip haben sich darum seit langem Schmelztiegel aus reinstem SiO 2 durchgesetzt.
Für die Herstellung von Solarzellen aus kristallinem Silizium müssen die Wafer nicht unbedingt als Einkristalle vorliegen. Hier hat sich im Laufe der Zeit neben der Verwendung einkristalliner Wafer aus dem Czochralski- oder Float Zone Verfahren auch die multikristalline Erstarrung in großen quaderförmigen Blöcken mit Kantenlängen im dm-Maßstab etabliert (vgl. Khattak et al., "Silicon Processing for Photovoltaics II", Elseviewer Science Publishers 1987, S. 153-182). Das Silizium wird hierbei in entsprechenden, Kokillen genannten, nach oben offenen Tiegeln mit quaderförmiger Kavität durch Wärmeabfuhr vornehmlich über den Tiegelboden gerichtet von unten nach oben erstarrt. Das Aufschmelzen des Siliziums kann hierbei im Kristallisationstiegel selbst oder in einem separaten Tiegel vorgenommen werden. Für den eigentlichen Kristallisationsprozess ist pures SiO 2 als Tiegelmaterial jedoch nicht geeignet, da der entstehende Kristall an der Tiegelwand haften bleibt und beim Abkühlen in der Regel durch die auftretenden Kräfte, verursacht durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Tiegel und Kristall, zerstört wird. Trotzdem wird heute Silizium verbreitet in großen Kokillen aus SiO 2 -Quarzgut (einem optisch opaken, weil nicht vollständig versinter- tem Quarzglas) erschmolzen und kristallisiert, weil diese Tiegel offenbar die kostengünstigste Variante darstellen. Sie werden für den Einsatz mit Si 3 N 4 Pulver quasi als Trennmittel beschichtet, um ein Haften des kristallisierenden Siliziums zu vermeiden und eine gute Ent- formbarkeit des Blocks nach Prozessende zu gewährleisten. Dieses Verfahren ist als grundsätzliches Prinzip in der Fachliteratur veröffentlicht (Saito et al., Proc. of 15 th PV Spec. Conference. S. 576-580; Revel et al., Proc. of 5 th Europ. Photovoltaic solar Energy Conf., S. 1037- 1042) und in speziellen Verfahrensvarianten dokumentiert, zum Beispiel in den Dokumenten EP 0 963 464 und US 2002/0146510.
Nach diesem Verfahren werden zum Zeitpunkt der Anmeldung jährlich etwa 50000 Tonnen Reinstsilizium für nachfolgende Wafer- und Solarzellherstellung erschmolzen und kristallisiert. Wie in nahezu allen Branchen wird auch innerhalb der photovoltaischen Wertschöpfungskette nach Möglichkeiten zur Reduktion von Produktionskosten gesucht. Eine Folge dieses Wunsches ist auch, dass im Kristallisationsprozess zur Erhöhung der Produktivität die Kristallisation der Siliziumblöcke schneller als bisher ablaufen muss. Hierbei zeigt sich jedoch, dass die der Wärmeabfuhr aus dem Tiegel proportionale Geschwindigkeit dieses Kristallisationsprozesses vorrangig durch den Wärmewiderstand, den oben genannten Quarzgutkokillen aufgrund der niedrigen Wärmeleitfähigkeit des Materials haben, limitiert ist, so dass bisher die aus wirtschaftlichen Gründen wünschenswerte Prozessbeschleunigung nicht über ein bestimmtes Maß hinaus erfolgen kann.
Weiterhin sind oben genannten Quarzgutkokillen in der Regel nur einmal für einen Schmelz- und Kristallisationszyklus verwendbar, da durch den Temperaturzyklus während des Einsatzprozesses Phänomene wie Entglasen bzw. Rekristallisation einsetzen, welche die Kokille beim Abkühlen zerbrechen lassen. Um den Nachteil dieser Rekristallisationsphänomene zu umgehen, wurden in der Vergangenheit mehrfach Ansätze gemacht, Kokillen aus Si 3 N 4 herzustellen (zum Beispiel WO 2004/016835 Al), sei es durch Schlickerguss oder uniaxiales oder isostatisches Pressen von feindispersem Si 3 N 4 Pulver mit nachfolgender thermischer Sinterbehandlung oder durch Anwendung der genannten Verfahren auf Siliziumpulver mit nachfolgender thermischer Nitridierung (WO 2007/148986 Al). Aus verschiedenen Gründen haben jedoch alle diese genannten Ansätze bis jetzt nicht zu einer kommerzialisierbaren Kokille geführt.
Die Dokumente EP 0 268 166 Bl und DE 44 41 911 Cl beschreiben Verfahren zur Herstellung von Formteilen für die hier relevante Anwendung, in denen Mehrkomponentenkeramiken verwendet werden.
EP 0 268 166 Bl beschreibt ein Tiegelmaterial, bestehend aus Siliziumnitrid, Siliziumoxy- nitrid und Siliziumdioxid, welches durch Aushärten eines Kieselsols, dem als weitere Komponenten Siliziumnitrid, Siliziumdioxid und elementares Silizium beigemischt wurden, unter nachfolgender Nitridierung bei Temperaturen von mehr als 1400 0 C zu Tiegeln geformt wird.
DE 44 41 911 Cl beschreibt die Herstellung eines Tiegels durch Schlickerguss einer Suspension von Si 3 N 4 -PuI ver und SiO 2 Pulver in Wasser im Gewichtsverhältnis von 20:1 bis 1:1 in eine Gipsform, welcher nach Trocknung bei Temperaturen von 1300-1400 0 C gesintert wurde. Der Si 3 N 4 Anteil am Endprodukt sollte somit zwischen 50 und etwa 95% betragen. Beide beschriebenen Verfahren scheinen jedoch ebenso aufwändig zu sein wie die für „reine" Si 3 N 4 Kokillen und haben sich auf dem Kokillenmarkt für die Kristallisation von Silizium nicht etabliert.
Um offenbaren Schwierigkeiten beim einteiligen Formprozess solcher Kokillen zu begegnen, wurde in Patentschriften wie US 2006/0219162 Al die Verwendung von mehrteiligen Behältern, bestehend aus Boden- und vier Seitenteilen und ineinander verbunden durch ein Nut- /Federsystem vorgeschlagen. Eine solche Anordnung bietet zugleich den Vorteil, dass durch sie das Entformen des fertig kristallisierten und abgekühlten Blocks sehr leicht möglich wird. Einem praktischen Einsatz solcher geteilter Kokillen scheint jedoch die Furcht der Anwender vor einem Auslaufen der aggressiven Siliziumschmelze entgegen zu stehen.
Weiterhin wurde vorgesehen, Formkörper für Tiegel innenseitig mit einem Material zu beschichten, welches Siliziumnitrid und Siliziumdioxid enthält. Dieses ist beispielsweise offenbart in dem Dokument WO 2005/106084 Al. Auch im Dokument WO 2006/002779 Al ist ein Verfahren zur Herstellung derartiger Formkörper beschrieben. Aus dem Dokument WO 2005/026067 Al ist weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Si 3 N 4 beschichteten SiO 2 - Formkörpers aus einem SiO 2 -Grünkörper bekannt.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist, verbesserte Technologien auf dem Gebiet von Tiegeln zum Schmelzen und Kristallisieren eines Metalls, eines Halbleiters oder einer Metalllegierung sowie deren Herstellung und Verwendung anzugeben, mit denen die Anwendungsmöglichkeiten für solche Schmelztiegel erweitert und verbessert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Tiegel zum Schmelzen und Kristallisieren eines Metalls, eines Halbleiterwerkstoffs oder einer Metalllegierung nach dem unabhängigen Anspruch 1, ein Bauteil für einen Tiegelgrundkörper eines solchen Tiegels nach dem unabhängigen Anspruch 10 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils für einen Tiegelgrundkörper eines solchen Tiegels nach dem unabhängigen Anspruch 12 gelöst. Weiterhin ist die Verwendung des Tiegels nach dem unabhängigen Anspruch 11 Gegenstand der Erfindung. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt der Erfindung ist ein Tiegel zum Schmelzen und Kristallisieren eines Metalls, eines Halbleiterwerkstoffs oder einer Metalllegierung geschaffen, bei dem eine Tiegelwandung eines Tiegelgrundkörpers zumindest teilweise aus einem Tiegelmaterial besteht, welches Siliziumnitrid und Siliziumdioxid im Gewichtsverhältnis zwischen etwa 1 :10 und etwa 1:1 (Si 3 N 4 : SiO 2 ) enthält.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Bauteil für einen Tiegelgrundkörper eines Tiegels zum Schmelzen und Kristallisieren eines Metalls, eines Halbleiterwerkstoffs oder einer Metalllegierung geschaffen, bei dem ein Bauteilabschnitt zumindest teilweise aus einem Tiegelmaterial besteht, welches Siliziumnitrid und Siliziumdioxid im Gewichtsverhältnis zwischen etwa 1:10 und etwa 1 :1 (Si 3 N 4 : SiO 2 ) enthält.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils für einen Tiegelgrundkörper eines Tiegels zum Schmelzen und Kristallisieren eines Metalls, ei- nes Halbleiterwerkstoffs oder einer Metalllegierung, bei dem ein Bauteilabschnitt zumindest teilweise aus einem Tiegelmaterial gebildet wird, welches Siliziumnitrid und Siliziumdioxid im Gewichtsverhältnis zwischen etwa 1 :10 und etwa 1 :1 (Si 3 N 4 : SiO 2 ) enthält
Schließlich betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung die Verwendung eines solchen Tiegels zum Schmelzen und Kristallisieren von Silizium in einem multikristalienen Block.
Mit den erfindungsgemäßen Technologien sind die Anwendungsmöglichkeiten für Tiegel erweitert, die zum Schmelzen und Kristallisieren eines Metalls, eines Halbleiterwerkstoffs oder einer Metalllegierung eingesetzt werden können. Überraschend wurde gefunden, dass das vorgeschlagene Tiegelmaterial sich beständig gegenüber zu verarbeitenden Werkstoffen zeigt, die bekannte Tiegelmaterialien angreifen oder deren Nutzung sogar unmöglich machen, und darüber hinaus als Material für den Tiegelgrundkörper des Tiegels nutzbar ist. Dieses gilt zum Beispiel insbesondere in Verbindung mit Siliziumschmelzen. Solche Schmelzen sind beispielsweise in Verbindung mit photovoltaischen Anwendungen von besonderer Bedeutung. Die hier vorgeschlagenen Technologien ermöglichen das Schmelzen und Kristallisieren von Silizium zu multikristallinen Blöcken. Das Tiegelmaterial des Tiegelgrundkörpers weist einen geringen Wärmewiderstand auf. Verunreinigungen der Schmelze aus Silizium oder einem anderen Werkstoff durch Fremdstoffe werden weitestgehend vermieden. Die vorgeschlagenen Technologien können unter umfänglicher Beibehaltung etablierter Prozesse wie Vorbe- reitungs-, Schmelz- und Kristallisationsprozessen eingesetzt werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die zumindest teilweise aus dem Tiegelmaterial bestehende Tiegelwandung wenigstens im Tiegelboden des Tiegelgrundkörpers gebildet ist. Ergänzend oder alternativ zu der wenigstens teilweisen Verwendung des Tiegelmaterials im Tiegelboden kann eine solche Ausbildung für die Tiegelseitenwände des Tiegelgrundkörpers vorgesehen sein. Auch kann die gesamte Tiegelwandung des Tiegelgrundkörpers unter Verwendung des Tiegelmaterials hergestellt sein. In einer alternativen Ausgestaltung sind Tiegelboden und Seitenwände wenigstens abschnittsweise aus unterschiedlichen Materialien. Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Tiegelseitenwand des Tiegelgrundkörpers zumindest teilweise aus SiO 2 mit einer Reinheit von mindestens 99% besteht.
Eine vorteilhafte Ausfuhrungsform der Erfindung sieht vor, dass die zumindest teilweise aus dem Tiegelmaterial bestehende Tiegelwandung des Tiegelgrundkörpers wenigstens abschnittsweise mit einer innenseitigen und / oder einer außenseitigen Beschichtung versehen ist. Bei dieser Ausgestaltung wird der Tiegelgrundkörper innen und / oder außen teilweise oder ganz mit einer Wandbeschichtung versehen, die bevorzugt aus einem von dem Tiegelmaterial verschiedenen Material besteht.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Tiegelwandung des Tiegelgrundkörpers zumindest teilweise vollständig aus dem Tiegelmaterial gebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung sind Abschnitte der Tiegelwandung vollständig aus dem Tiegelmaterial hergestellt, dass heißt sie bestehen aus dem Tiegelmaterial.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass auf der Tiegelwandung des Tiegelgrundkörpers zumindest abschnittsweise eine innenseitige Auskleidung aufweist, die innenseitig angeordnet ist. Eine Auskleidung zeichnet sich in einer Ausführungsform dadurch aus, dass sie nach dem Herstellen eines Tiegelwandgrundelementes des Tiegelgrundkörpers hierauf angeordnet wird, sei es im Prozess der Herstellung eines Grundtiegels oder eines Grundtiegelbauteils. Die Auskleidung kann aus dem Tiegelmaterial oder einem anderen Material sein.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die Tiegelwandung des Tiegelgrundkörpers mit mehreren gefügten Wandungsbauteilen gebildet ist. Das Fügen der Wandungsbauteile kann kraftschlüssig, stoffschlüssig und/oder formschlüssig erfolgen. Unter dem Begriff Fügetechniken sind nach DIN 8593 solche Verfahren zusammengefasst, bei denen zwei oder mehrere Körper gleichen oder unterschiedlichen Materials zu einem neuen Körper zusammengesetzt und verbunden werden. Durch das Fügen wird der Zusammenhalt zwischen den zuvor getrennten Werkstücken lokal - d.h. an den Fügestellen - geschaffen und eine Formänderung des neu entstandenen Teils herbeigeführt. Im Zusammenhang mit den hier beschriebenen Tiegeln kommen als Fügetechniken insbesondere der Stoffschluss (Verbindung zweier Körper durch atomare Kräfte aufgrund gemeinsamen Materials), der Formschluss (Ineinandergreifen) und der Kraftschluss (Verbindung durch Aneinanderpressen mit von außen aufgebrachten Kräften) in Frage.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Tiegelwandung des Tiegelgrundkörpers zumindest abschnittsweise mit einem Eigenschaftsgradienten gebildet ist. Beispielsweise kann in der Tiegelwandung ein Gradient der Wärmeleitfähigkeit gebildet sein, beispielsweise mit einer vom oberen Tiegelrand zum Tiegelboden des Tiegelgrundkörpers hin zunehmenden Wärmeleitfähigkeit des Tiegelmaterials.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Siliziumnitrid und / oder das Siliziumdioxid im Tiegelmaterial eine Korngröße zwischen etwa 1 μm und etwa 500 μm aufweisen.
Weiterhin kann zur Berücksichtigung des Prinzips der gerichteten Erstarrung vorgesehen sein, Boden und Seitenwände des Tiegelgrundkörpers aus Materialien unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit zu realisieren: Die Seitenwände wären dann aus konventionellem Quarzgut niedriger Wärmeleitfähigkeit, Tiegelboden aus der Mischkeramik mit höherer Wärmeleitfähigkeit. Die Fertigung solcher funktionaler Tiegel durch Aufbau aus Einzelplatten ist einfach, aber auch die einteilige Fertigung von Tiegeln mit einem Boden höherer Wärmeleitfähigkeit über Schlickerguss oder Trockenpressen ist möglich, ebenso die Realisierung von Eigenschaftsgradienten, zum Beispiel eine in den Seitenwänden von oben nach unten zum Tiegelboden hin zunehmende Wärmeleitfähigkeit.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils für einen Tiegelgrundkörper eines Tiegels zum Schmelzen und Kristallisieren eines Metalls, eines Halbleiterwerkstoffs oder einer Metalllegierung näher erläutert.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht folgende Schritte vor: Herstellen einer Suspension in Wasser enthaltende Siliziumnitrid und Siliziumdioxid im Gewichtsverhältnis zwischen etwa 1:10 und etwa 1 :1, Herstellen eines oder mehrerer Grünlinge mittels Schlickerguss in eine Gießform mit nachfolgender Trocknung und Sintern des einen oder der mehreren Grünlinge mittels Erhitzen auf Temperaturen zwischen etwa 1000°C und 1300°C. Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass beim Herstellen der Suspension eine oder mehrere Hilfsstoffe eingesetzt werden. Als Hilfsstoffe können eingesetzt werden: Dispergier- und Verflüssigungshilfsmittel wie synthetische Polyelekt- rolyte und/oder Carbonsäureester, Antischaummittel wie Kohlenwasserstoffe, Fettsäurederivate und/oder Alkypolyalkylenglykolether, temporäre Bindemittel wie Polymerdispersion, Polyvinylalkohol, Polyethylenglycol, Acrylatdispersion, Polysaccharide und/oder Wachse, Suspensionsstabilisatoren wie Polyammoniumderivate, Entwässerungshilfsmittel wie PoIy- ammoniumderivate und/oder Polyamine, temporäre Presshilfsmittel wie Acrylatdispersion, Wachsemulsion und/oder Polyethylen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht die folgenden Schritte vor: Bereitstellen des Tiegelmaterials mit Siliziumnitrid und Siliziumdioxid im Gewichtsverhältnis zwischen etwa 1 :10 und etwa 1 :1 als trocknenden Ausgangsstoff, Herstellen eines oder mehrere Grünlinge aus dem trocknenden Ausgangsstoff mittels Verpressen in einer Pressform und Sintern des einen oder der mehreren Grünlinge mittels Erhitzen auf Temperaturen zwischen etwa l000 o C und l300°C.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung die folgenden Schritte vor: Herstellen einer Suspension in Wasser enthaltend Siliziumnitrid und Siliziumdioxid im Gewichtsverhältnis zwischen etwa 1 :10 und etwa 1 :1, Herstellen von sprühgetrockneten Partikeln mittels Sprühtrocknen der Suspension, Herstellen eines oder mehrerer Grünlinge mittels Verpressen der sprühgetrockneten Partikel in einer Pressform und Herstellen eines oder mehrerer Grünlinge mittels Erhitzen auf Temperaturen zwischen 1000°C und 1300°C.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass Siliziumnitrid und Siliziumdioxid in Pulverform verwendet werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass Siliziumnitrid und/oder Siliziumdioxid mit einer Korngröße zwischen etwa 1 μm und etwa 500 μm verwendet werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Tie gel grundkörper einstückig hergestellt wird. Nachfolgend werden noch Begriffe, die für einen oder mehrere Aspekte der Erfindung von Bedeutung sein können, hinsichtlich ihres hier verwendeten Verständnisses näher erläutert.
Unter Tiegel werden insbesondere nach oben offene Behälter beliebiger geometrischer Form verstanden, in denen Metalle, Metalllegierungen und Halbleiterwerkstoffe erschmolzen, deren Schmelze vorgehalten und unter Umständen auch kristallisiert werden können. Der Tiegel wird gebildet mit einem Tiegelgrundkörper, welcher wahlweise zumindest in Teilabschnitten, die sich innen und / oder außen befinden können, mit einer Beschichtung versehen sein kann. Die Beschichtung kann ein- oder mehrschichtig ausgeführt sein. Alternativ oder ergänzend kann eine abschnittsweise oder vollständige Auskleidung des Tiegelgrundkörpers vorgesehen sein. Tiegelgrundkörper können einteilig oder mehrteilig zusammengesetzt aus Boden und Seitenwänden gebaut sein.
Ein Block ist ein massiver, einteiliger Festkörper, der in zylindrischer oder polyedrischer, vorzugsweise quaderförmiger Form vorliegt und dessen Abmessungen in allen drei Raumrichtungen ein jeweiliges Verhältnis von nicht kleiner als 1 :10 haben.
Unter Halbleiterwerkstoffen oder Halbleitern werden Werkstoffe verstanden, die mindestens ein Element der 3., 4. und 5. Gruppe des Periodensystems enthalten, sowie deren Verbindungen untereinander und deren Gemische. Diese Werkstoffe können als Festkörper, als Schmelze und als Pulver bzw. Pulvergemisch vorliegen. Unter Keramik als Werkstoff werden insbesondere nichtmetallische, anorganische Feststoffe verstanden, welche bei Umgebungstemperatur aus feinteiligen Rohstoffen evtl. unter Zugabe von Flüssigkeiten wie Wasser geformt und anschließend getrocknet und unter Anwendung erhöhter Temperaturen gesintert werden.
Als Pulver wird ein Feststoff bezeichnet, welcher in voneinander getrennten oder nur locker agglomerierten Teilchen von Größen unterhalb von 1 mm vorliegt. Als Granulat wird ein Feststoff bezeichnet, welcher in voneinander getrennten oder nur locker agglomerierten Teilchen von Größen oberhalb von 1 mm und unterhalb von einigen cm vorliegt.
Sprühtrocknen bezeichnet insbesondere die in der industriellen Pulverbehandlung übliche Technik, eine Lösung oder Suspension eines Feststoffs durch spezielle Düsen in ein Gas (evtl. im Gegenstrom) zu versprühen und dabei zu trocknen, so dass letztlich ein Pulver oder Granulat entsteht.
Schlickerguss bezeichnet ein in der Keramikverarbeitung verbreitetes formgebendes Verfahren, bei dem eine Suspension von keramischen Partikeln in einer geeigneten Flüssigkeit in eine Form gegossen wird, deren Wände porös und so beschaffen sind, dass sie aus der Suspension die Flüssigphase weitgehend aufsaugen und somit eine Schicht aus agglomerierten Feststoffpartikeln an der Formwand haften bleibt. Diese kann unversehrt als sogenannter Grünling aus der Form entnommen und für ihren weiteren Einsatz weiter verarbeitet werden.
Als Grünling werden makroskopisch massive Gegenstände aus keramischem Material bezeichnet, welche aus pulverförmigem Material durch formgebende Verfahren evtl. unter Anwendung von Flüssigkeiten, Bindern oder auch Druck bei Umgebungstemperatur hergestellt wurden. Sie sind in der Regel nur wenig stabil gegen den Einfluss äußerer Kräfte und müssen vor dem bestimmungsgemäßen Einsatz durch Anwendung einer Temperaturbehandlung gesintert werden.
Unter Trocknen wird hier das Verschwinden von flüchtigen, flüssigen Bestandteilen (zum Beispiel Wasser) eines flüssig-fest Stoffgemischs durch Verdunsten oder Verdampfen bei Umgebungstemperatur oder erhöhter Temperatur unterhalb von 250°C verstanden. Sprühtrocknen ist ein Verfahren zur Extraktion des Festanteils einer Suspension in Granulat- oder Pulverform mit definierten Korngrößen. Hierbei wird die Suspension unter Druck durch eine Düse in eine trocknende Gasatmosphäre gespritzt, wo der Flüssiganteil noch im Flug verdunstet und der Festanteil als konditionierter Partikel ausfällt.
Unter Sintern wird hier die bei der Herstellung von keramischen Körpern angewandte Temperaturbehandlung zu deren Verfestigung verstanden, wobei makroskopisch keine Flüssigphase auftritt. Mikroskopisch wachsen beim Sintervorgang sich berührende, vormals jedoch getrennte Partikel durch Umlagerung von Atomen zu einem zusammenhängenden, i.d.R. zunächst porösen, mit zunehmender Sinterdauer auch mehr und mehr massiven Festkörper zusammen. Ein Körper mit einer gradierten Eigenschaft ist ein solcher Körper, bei dem sich die entsprechende Eigenschaft über sein Volumen hin ändert. Dies kann kontinuierlich-stetig, aber auch unstetig-sprunghaft geschehen. Den gleichen Sachverhalt beschreibt auch der Begriff Eigenschaftsgradient. Hierbei kann auch die stoffliche Zusammensetzung des Werkstoffes gradiert sein.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Ausführungsbeispiel 1 :
In einem Vorversuch wurden Si 3 N 4 Pulver namens Ml(low oxygeή) des Herstellers H.C.Starck und amorphes SiO 2 -Pulver namens TecoSil fused silica des Herstellers CE Minerals im Gewichtsverhältnis von 9:10 mit Hilfe von einer Carbonsäurezubereitung als Verflüssiger, einem Polysaccharid als Plastifizierungsmittel, einer Polyamin Zubereitung als Entwässerungshilfe und einem Alkylpolyalkylenglycolether als Entschäumer in eine wässrige Suspension gebracht. Wegen der erforderlichen hohen Reinheit des Endproduktes und um Verunreinigungen mit Fremdelementen zu minimieren, wurde deionisiertes Wasser genommen, um den Schlicker aufzubereiten.
Der sogenannte Schlicker wird, eingestellt auf ein Litergewicht von 1900±20 g/l und einen Feststoffgehalt von 60-75%, bei Raumtemperatur und normalen atmosphärischen Bedingungen, in eine Gipsform mit quadratischer Grundfläche von 120* 120 mm 2 , einer inneren Höhe der Kavität von 60 mm und einer Wandstärke von 12 mm. nach dem Vollgussprinzip gegossen. Die Form wurde mit gleichmäßigem, nicht zu schnellem Fluss ohne Unterbrechung gefüllt. Durch die kapillaraktive Gipsform erfolgt die Scherbenbildung als Diffusionsprozess des Wassers. Nach einer Standzeit von 40 min. hat sich ein Scherben von 10 mm Stärke gebildet und der Restschlicker kann entfernt werden.
Die Gipsform nimmt Wasser aus der Schlickermasse auf, so dass Trocknen des Gusskörpers in der Gipsform erfolgt. Nach 2 Stunden antrocknen des Gusskörpers bei Raumtemperatur hat der Scherben sich von der Gipsformwand gelöst und kann mittels leichtes Schiagens vom Kern entnommen werden.
Danach wurde der Gusskörper in einer Trockenkammer bei einer Temperatur von 70 0 C auf 0% Restfeuchte getrocknet und anschließend bei Temperaturen zwischen 1100-1300°C in oxidischer Atmosphäre gebrannt und versintert. Es entstanden formstabile, rissfreie Tiegelgrundkörper aus einer Si 3 N 4 -SiO 2 Mischkeramik, welche im üblichen Siliziumblockkristalli- sationsprozess eingesetzt werden können.
Ausführungsbeispiel 2:
Die nach Beispiel 1 hergestellte Suspension wurde, bei gleich bleibender Rezeptur, Feststoffgehalt und Litergewicht, aber mit anderen organischen Zusetzungen sowie Polyethylenglycol als Binder, Polyvinylalkohol als temporärem Bindemittel und einer nicht-ionischen Wachsdispersion als Binde-, Press- und Gleithilfsmittel durch eine 1 mm Düse und unter einen Druck von 30 bar in eine Kammer mit eine Umlufttemperatur von 400°C verspritzt und dabei sprühgetrocknet. Danach wurden aus dem entstandenen trockenen, rieselfahigen Pulver in einer hydraulischen Laborpresse mehrere Versuchsplatten der Abmessungen 50*50*10 mm 3 , teilweise mit Nuten in ihrer Oberfläche, als Grünling bei einem Druck von 100 MPa hergestellt und diese in gleicher Weise wie bei Ausführungsbeispiel 1 bei einer Temperatur zwischen 1100-1300 0 C gebrannt und versintert. Aus den Platten ließ sich ein Tiegelgrundkörper zusammenstellen, der, wenn von außen gehalten, ebenfalls für einen Schmelz- und Erstarrungstiegel für Silizium genutzt werden kann.
Die in der vorstehenden Beschreibung und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.